森林生態系統水源涵養服務功能解析

周佳雯,高吉喜,高志球,楊偉超

1 南京信息工程大學應用氣象學院,南京 210044 2 環境保護部南京環境科學研究所,南京 210042 3 南京信息工程大學氣象與氣象災害協同創新中心,南京 210044

森林生態系統水源涵養功能是森林生態系統服務的重要組成部分,是森林與水的相互作用在生態系統服務領域的集中體現。在現有研究中,狹義的森林水源涵養功能一般指森林攔蓄降水或調節徑流的能力,而廣義的森林水源涵養功能則體現在森林各結構層次在各水文過程中的作用[1],在森林水源涵養功能的具體效應主要包括森林產水、凈水、攔洪、補枯等方面?，F有研究中,無論是狹義還是廣義,均將森林水源涵養視為森林與的水這一單一生態因子間的相互作用,忽略了森林水文過程對其他生態因子的間接影響。另外,森林與水的相互作用受到地形、氣候、土壤、植被等多個因子在不同的時空尺度的影響,使得森林水源涵養功能存在顯著的尺度效應和區域效應。此外,不同水源涵養區的自然狀況和社會經濟條件存在客觀差異,森林生態系統服務所需滿足的人類需求不一而足,森林水源涵養功能中各效應的重要性具有顯著不同。與此同時,森林水源涵養功能的不同效應間存在一定的內稟矛盾,導致森林水源涵養功能的各個效應的實現難以同步。明晰森林水源涵養功能的綜合性、區域性、尺度性和內在相互制約性,才能進一步地對其進行更深入地探討和研究。

森林水源涵養功能作為生態與水文學科交叉的研究熱點,由于其特有的復雜性,尚未形成一個公認的定義。由于研究對象的定義模糊,森林水源涵養功能的計算方法尚無統一的標準。這主要體現在功能定義缺乏完整性和系統性,計算方法的針對對象和尺度特征尚未界定清晰。因此,準確研究森林水源涵養功能,需對其內涵進行充分清晰的認識?；谏鲜鲈?本文系統分析了森林水源涵養功能的定義、組成和特征,分析和劃分不同研究區域,并在此基礎上厘清各區域水源涵養功能的主導服務和研究方法。

1 森林生態系統水源涵養功能辨析

1.1 國內森林水源涵養功能定義

隨著森林水文學研究的深入,人們對森林水源涵養功能的認識也在不斷拓展和更迭。20世紀60年代,森林水源涵養的概念由蘇聯傳入我國,認為森林能夠均勻地釋放水源[2]；后來,定義拓展為森林生態系統通過林冠層、枯落物層和土壤層攔截滯蓄降水,從而有效涵蓄土壤水分和補充地下水、調節河川流量的功能[3-4]。逐漸地,森林對降水的影響[5]、森林蒸發散、森林對徑流的影響[6]和森林對水質的影響[7]等受到重視。目前,人們對森林水源涵養功能的認識更為辯證,比如森林保水與保土的關系[8]、森林對地表和地下徑流的分配[9]、森林削減洪峰[10]和補給枯水徑流的能力[11]等。如今,森林水源涵養功能的內涵發展為由水源供給、調節徑流、水質凈化等多種服務組成的整體。但在具體的研究實踐中,研究者往往只選取現有定義中的一個或若干個效應作為森林水源涵養功能的全部,各效應間的主次關系和權重確定較不明晰,這是由于對功能內涵和研究對象的認識不夠充分所致。

1.2 國外森林水源涵養功能研究

在國外研究中,水源涵養一詞一般指廣義的水資源保護[12],與國內的水源涵養研究內容不符,而與之意義相近的有水源蓄留和水文調節。前者通常指森林的某個垂直層次對降水的滯留能力[13],屬于森林水文研究范疇。后者是指生態系統對進水文過程的各個環節施加作用的過程和能力[4],屬于森林生態系統服務領域。在千年生態系統評估(MA)[14]中,森林生態系統服務分類中森林對水的作用被分為了淡水供給、水文調節和水質凈化3類,這一內涵與國內研究中的水源涵養功能內涵大體相近。

1.3 森林水源涵養功能的界定

綜合國內外研究進展,可以看出森林水源涵養功能是一系列復雜多元的生態系統服務綜合體,為人類提供著多種供給和調節服務。森林水源涵養功能在作用因子、服務內容和服務類型上均具有多元性(表1)。于是,研究認為狹義的森林水源涵養功能是指發生在森林水文過程中的森林與水的相互作用,即森林供給淡水、調節水文和凈化水質的功能。而廣義的森林水源涵養功能則又包括了森林中的攔蓄、產流、蒸騰、入滲等各水文環節對的氣候和土壤因子產生的影響。概括地講,即為森林水文過程對森林生態系統非生物因子(水、氣、土)產生所有的直接作用和間接影響,既包括森林與水的直接作用(供給淡水、調節水文、凈化水質),也包括森林水文對土、氣的間接作用(減少水蝕、調節氣候)。

表1森林水源涵養功能的作用因子、服務內容和類型

Table1Functionfactors,servicecontentsandtypesofforestwaterconservationfunction

作用因子Functionfactors服務內容Servicecontents服務類型Servicetypes水Water淡水供給供給服務水質凈化調節服務水文調節調節徑流攔蓄洪水補給枯水氣Atmosphere氣候調節增加濕度調節溫度土Soil減少水蝕

2 森林水源涵養功能對生態系統要素的影響

2.1 森林水源涵養功能對水文因子的影響

2.1.1 森林的淡水供給作用

森林的淡水供給指的是從森林生態系統中產出的水量,體現在森林對年徑流的影響。森林結構、森林類型、森林覆蓋率和森林火災等均會影響森林對徑流的作用。森林結構組成影響森林生態系統的徑流量及徑流過程,森林結構組成越復雜,徑流系數越低[15]。不同類型的森林間徑流系數存在很大差異[16-17]。雖然蘇聯[18]集水區實驗和國內的部分流域的實驗[19]中得出的結論認為森林的存在會增加河川徑流,但國內外絕大多數的研究支持森林覆蓋率的增加會減少流域年徑流[20-23]。森林火災通過影響森林的蒸散發來影響年凈流量,火災后林地的產水量通常會增加,并隨著森林植被的恢復而逐漸降低[24]。

2.1.2 森林攔蓄洪水的作用

森林通過林冠層、地被層、土壤層3個垂直分層對降水進行截持、緩沖和蓄納。降水進入林分后,林冠層對降水產生攔截作用,截留過程延續整個降雨事件,雨止后截留水量最終耗于蒸發。森林枯落物層增加了地表粗糙度,可以減緩徑流速度、延長徑流時間、增加水分入滲量,從而減少了地表徑流。在降雨落入土壤表層后,可以通過入滲作用進入土壤層中,其中一部分即被土壤層吸附和貯存,其余的水量則轉化為地下徑流。這些作用使得森林具有調蓄洪水和削減洪峰的能力。研究表明,小流域森林覆蓋率每增加2%時,約可以削減洪峰1%,當流域森林覆蓋率達到最大值100%時,森林削減洪峰的極限值為40%—50%[25]。但森林對洪水的攔蓄和削減作用并不是無限的,在降雨量或降雨強度較小的情況下,森林攔截洪水的作用較大,但對于連續降雨與強降雨,森林的作用逐漸減弱甚至消失[26]。

2.1.3 森林補給枯水的作用

對于森林覆蓋度對枯水徑流的影響,在國際上存在兩種截然相反的觀點。多數研究認為森林覆蓋度減少能增加枯水徑流。例如,S?rensen等[27]的研究表明,森林砍伐后增加的地表徑流大部分為枯水期徑流,枯水期流域基流量增加了58%—99%。另一種觀點認為,森林覆蓋度減少會引起枯水徑流量的減少[22],這可能是由于枯枝落葉層消失,土壤緊實,蓄水能力減弱,枯水期入滲能力減弱引起的[28]。

2.1.4 森林的水質凈化作用

森林有改善水質的功能,因此森林流域被認為是清潔水源的發源地[29]。森林的凈化功能,主要是由植被覆蓋和土壤生物完成的。林外降雨與林冠層、枯落物層、土壤層三者之間的過濾吸附和淋洗淋溶作用,使污染物和富余的營養物質被滯留、移除。前蘇聯在莫斯科和高爾基省的聯合集水區研究表明,降水中污染物經過森林生態系統各層次作用,不僅種類減少,濃度也大為降低[30]。降水進入森林后,其養分元素含量一般均有所增加[31-32]。森林采伐后會造成森林地表層長期積蓄的有機質、堿性物質、重金屬等的不斷分解與流失[33],而增加森林覆蓋率有可能改善森林流域的水質[34]。

2.2 森林水源涵養功能對土壤因子的影響

森林水源涵養功能對土壤的影響主要體現在森林減少土壤水蝕的作用,土壤水蝕是世界上分布最廣、危害最為普遍的一種土壤侵蝕類型。坡面土壤侵蝕主要是由雨滴擊濺、坡面徑流引起,而森林生態系統可以通過各個垂直層次截留和蓄納降雨,在防治土壤水蝕方面意義重大[35]。森林冠層能有效地消減天然降雨的雨滴動能,減少降雨侵蝕力強度。李桂靜等[36]在我國南方紅壤區馬尾松林的實驗結果表明,馬尾松林冠可以降低林外雨21.8%的降雨動能。森林的地被層可以增大地表徑流的阻力系數,減少徑流沖蝕的動能。此外,森林發達的植被根系增加了土壤的毛孔空隙度和非毛孔孔隙度,有效提升了土壤入滲能力,減少了地表徑流率,同時也降低了徑流所帶走的泥沙總量。

2.3 森林水源涵養功能對氣象因子的影響

森林與氣候的關系是森林生態系統研究的重要課題。一些學者認為森林可能具有增雨作用,理由是森林能向大氣中輸送大量水汽和凝結核,同時森林增加了下墊面的粗糙度,有利于氣流的抬升運動,森林的反射率比鄰近的無林地區小,被森林吸收并用來產生降水的熱量將比無林區要多[37],以上要素都有助于林地降水的產生。此外,森林還具有調節區域小氣候的作用,這是由于森林的林冠層可以削弱太陽輻射,降低地表溫度,同時林木蒸騰作用可提高周圍空氣的濕度,森林降溫增濕的作用被稱為“綠島”效應。在夏季,一棵高大喬木相對于裸地可以使局部氣溫降低4—8℃,濕度則增加50%[38]。

3 森林水源涵養功能的特征

3.1 森林水源涵養功能的綜合性

森林水源涵養功能是包含了供給淡水、調節水文、凈化水質、調節氣候、減少水蝕等多重供給服務與調節服務的綜合體,直接或間接作用于生態系統的各要素,并對生態-社會-經濟復合體產生重要的影響。森林水源涵養功能研究并不是各個服務功能的簡單加和,而是對整個功能系統的綜合反映。在具體的研究實踐中,不能只片面地注意到某一個或某幾個服務,而忽略了其他服務的貢獻和價值。

3.2 森林水源涵養功能的區域性和主導服務性

森林水源涵養功能是服務于具體的研究區域的,由于區域的自然和社會條件在時空分布上的不均勻性,不同區域對森林生態系統的水源涵養需求截然不同。例如干旱區和洪澇區、水源區和水蝕區、都市群和非都市群在對水、土、氣各要素的供給和調節有著本質不同的需求。在不同的區域,需要優先提供的服務類型即為該區域的主導服務,在該區域森林的水源涵養功能實現,應本著主導服務優先,次要服務相協調的原則,在突出主導服務的基礎上爭取綜合功能價值的最大化。

3.3 森林水源涵養功能的相互制約性

在森林水源涵養功能中,不同服務的實現并不是總是相互協同的,存在著兩個或多個服務間相互制約、相互拮抗的情況。例如,森林覆蓋率減少可以增加流域年徑流量,但同時會增加徑流中的泥沙含量[8]；森林蒸發量增加有利于調節氣候,但會減少生態系統的淡水供給。所以,水源涵養功能的實現需要深入地分析各服務間的關系,在考量某個或某幾個服務的同時,需要最大可能地確保其他服務能力處于適宜范圍之內。

3.4 森林水源涵養功能的尺度效應

森林水源涵養功能是涵蓋于生態系統服務領域之中的,所以生態系統的尺度效應自然在該功能的作用過程中有所體現。研究結果在尺度推譯和區域拓展過程中的有效性和適用性常常受到質疑[1]。這就需要研究者針對研究區域的尺度特征后,選擇適宜的研究方法。同時,在尺度外推過程中,應充分考慮參數的尺度效應和研究數據的可靠性。

4 不同區域森林水源涵養功能的主導生態效應

森林通過對水文、氣象、土壤多個因子進行作用,實現其水源涵養功能,并滿足當地人們生產生活的需要。通過分析我國不同區域的自然地理條件和社會經濟條件,理解區域森林水源涵養功能及其主導生態效應的差異(表2)。

4.1 干旱區

我國是一個水資源相對短缺的國家,尤其是在西北部干旱地區,常年干旱少雨,甚至產生季節性斷流現象。干旱地區森林的服務功能是盡可能地增加人們可直接利用的水資源供給,還要在枯水期釋放水源,即持續而均勻地補給區域水源。因此,該區域的主導服務為淡水供給和枯水補給兩方面。

4.2 洪泛區

在我國南方濕潤地區,夏季強降水事件較多,洪澇災害頻發,歷年的防汛工作消耗大量人力物力。因此,該區域的森林主要發揮著攔截暴雨的作用,洪泛區森林水源涵養功能的主導效應是森林攔蓄洪水的作用,該區域的水源涵養林建設應以提升林地對暴雨的攔蓄能力為首要目標。

4.3 水源地

在重要的水源地,森林產流主要用于提供人們的生產生活用水,該區域水源涵養林需要既要保障充足的水量供給又要保證水質的清潔,因此水源地森林水源涵養功能的主導效應是水源供給和水質凈化。

4.4 水蝕區

在我國水蝕現象較嚴重的區域,森林主要通過減少降水和徑流的動能以及減少荒地面積來預防和控制土壤侵蝕現象。該區域森林主要起到減輕水蝕、保土固土的作用。

4.5 城市區

都市群中的森林或城市內部小型森林可以通過持續不斷的蒸騰作用來增加周邊區域的空氣濕度、降低溫度；同時,森林具有較高的反射率,可以減少城區內的太陽輻射。城市區森林的存在有效抑制了城市的熱島效應,極大地改善了人居環境。所以,調節城區氣候是該區域森林水源涵養功能的主導效應。

表2 區域森林水源涵養功能主導效應

5 森林水源涵養的研究方法討論

森林水源涵養的研究方法主要分為蓄水法、降雨貯存量法、水量平衡法、綜合指標評價法、多元回歸法等[39],這些方法絕大多數只針對于森林水文效應進行計算評估,而對水源涵養功能中的凈化水質、調節氣候和減少水蝕作用少有提及。同時,由于對水源涵養量含義的理解存在分歧,各類方法所表征的物理量存在很大差異,每種方法都存在研究對象和時空尺度上的適用性與局限性(表3、表4)。在對特定區域的森林水源涵養功能進行研究時,需要依據森林水源涵養的目的、原理以及研究區尺度特性選取適宜的研究方法。

干旱區森林水源涵養功能主要表現為生態系統維持和水源供給服務,森林接收的降水量除去其本身蒸散消耗的即為水源涵養量。而洪泛區森林的水源涵養功能則側重于森林攔蓄洪水的作用,因此濕潤區水源涵養量的計算應著重體現森林各組成層次的蓄水能力。水源區森林的水源涵養功能需要綜合考量森林產流能力和凈水能力。水蝕區的森林水源涵養功能主要體現在減弱水蝕的作用,即森林相比裸地的土壤侵蝕減少量。在城市區,森林可以調節區域氣候、緩解“熱島效應”,其功能計量可用通過氣候適宜度等健康氣象指標來表征。需要注意的是,在反映區域森林水源涵養功能的主導效應的同時,應考慮其他服務的綜合效益,做到統籌兼顧客觀全面。

6 展望

1)由于森林水文中的若干過程的機理性研究長期存在著爭議和分歧,如森林對降水的影響、對年徑流量的影響和對枯水徑流的影響等,使得森林水源涵養功能物理內涵的確定和生態效應的評估存在困難和爭議。森林水文研究里的難點,長期制約著森林水源涵養生態服務的研究和應用。深入地探究和揭示森林水文過程和其物理機制,是森林水源涵養功能研究的理論基礎,也是水源涵養林建設和生態修復工程開展的科學保障。

表3 森林水源涵養量計量方法、原理、適用對象和尺度

Q:水源涵養量(mm), water conservation ；I:林冠截留量(mm),canopy interception；Wl為枯落物層有效持水量(mm), litter layer effective holding capacity；Ws為土壤蓄水量(mm), soil layer storage capacity；P為降雨量(mm),rainfall；α0為裸地徑流率(%),bare land runoff rate；αf為林地徑流率(%),woodland runoff rate；R為徑流量(mm),runoff；ΔRg為林地相對于裸地的地下水位增長量(mm),the increase of groundwater level of woodland relative to bare land；“—”表示不適用

表4 不同森林水源涵養量計量方法的局限性

2)森林水源涵養功能是一個綜合性的有機整體,應注重對于其整體效應的評估,不能只是單個效應簡單機械的拼湊。深入研究水源涵功能各服務間的相互作用,需要考慮到主導效應和各輔助效應間的相互耦合,在突出主導效應的同時兼顧輔助效應。此外,還應重視森林水源涵養各功能區的邊界劃定和區域間的輻射效應,力求真實反映各區域森林水源涵養功能的整體效益,以期達成區域水源涵養生態系統服務功能量和價值量的綜合提升。

3)雖然有許多研究者利用集水區實驗或3S技術等多種研究方法,對于我國各典型區域森林的水源涵養能力和價值在多個尺度上進行大量的計算和分析,但由于缺乏對森林水源涵養能力概念的理解不同,其理論內涵和計算方法間難以在物理定義和尺度效應間進行有效地匹配或推算,嚴重地限制了森林水源涵養研究結果的分析和應用價值。因此,在未來的研究中,需要針對各研究區域的具體情況確立研究對象,并根據具體研究對象的物理定義和尺度特征,針對性地完善定量化計算方法或評價體系,提升研究方法的準確性和研究體系的統一性。

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